一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法及裝置，屬于零件表面強化領域。本發(fā)明主要由信號發(fā)生器、功率放大器、磁致伸縮執(zhí)行機構、變幅桿、撞擊棒組成，將鐵磁棒套入繞有電磁線圈的線圈骨架中心孔內(nèi)，信號發(fā)生器給線圈施加交流信號并經(jīng)功率放大器進行能量放大，通過設定相應的頻率和偏置磁場條件，根據(jù)磁致伸縮效應，沿鐵磁棒產(chǎn)生縱向L(0，1)模態(tài)導波，利用該模態(tài)導波的徑向位移振動，經(jīng)變幅桿將振動位移放大后，通過置于小孔內(nèi)部位置的撞擊棒撞擊小孔內(nèi)壁，使孔內(nèi)壁產(chǎn)生一定的塑性變形從而引入殘余壓應力，達到小孔內(nèi)壁的強化作用；本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術對直徑為1-3mm小孔的強化作用有限的難題，也適合更大孔內(nèi)壁的強化。
【專利說明】一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于零件表面強化領域，具體的說是直徑為f 3mm小孔，也適合更大孔應力集中嚴重的內(nèi)表面強化。
【背景技術】
[0002]在航空航天等領域的機械結構中，孔在機械連接機構占有重要地位，一般而言，孔是整個零件的應力集中部位，零部件往往都是從孔位置開始發(fā)生失效而導致整個零件的報廢。換言之，由于孔本身的低壽命降低整個零部件的使用壽命。因此，急待有效的小孔強化工藝，目的就是為了改善帶孔零部件的機械性能，從而在使用的過程中有更長的疲勞壽命。
[0003]目前國內(nèi)外孔的強化工藝采用較多的是機械噴丸、冷擠壓和激光沖擊強化處理。傳統(tǒng)機械噴丸的方法對孔壁進行強化，即在孔內(nèi)設置一帶有錐角的反射裝置，將噴丸噴射到反射裝置上，使彈丸與孔內(nèi)壁發(fā)生撞擊，從而起到強化的效果，但是這種強化方法受到孔尺寸的限制，當孔徑小到一定程度的時候就無法或者很難實現(xiàn)。
[0004]冷擠壓強化小孔技術即將一開縫襯套放入孔中，芯棒塞入孔使開縫襯套膨脹來間接擠壓緊固孔內(nèi)壁，使零件產(chǎn)生塑性變形產(chǎn)生強化作用。但是這種強化方法需要設計模具，無法產(chǎn)生孔內(nèi)壁的正向殘余應力，強化效果不明顯。同時小孔的直徑和零件本身的形狀也會使模具設計難度加大。
[0005]陳潔的專利CN102205488A中敘述了一種開縫襯套冷擠壓加工孔的辦法，其原理是將開縫襯套裝在一根具有過盈量的錐形擠壓棒上，使擠壓芯棒強行通過零件內(nèi)孔，擠壓力通過開縫襯套均勻傳遞到零件的內(nèi)孔壁上，使內(nèi)孔的周圍產(chǎn)生殘余壓應力，但是在擠壓過程中極易斷棒,生產(chǎn)成本太大。
[0006]激光沖擊強化小孔技術將能量吸收桿置于小孔適當位置，利用激光誘導能量吸收桿產(chǎn)生等離子爆炸，產(chǎn)生沖擊波從而使小孔內(nèi)壁強化。這種方法對直徑小于3mm的小孔強化效果受到限制，強化結果難以得到保證。
[0007]專利CN101126117A敘述了一種孔結構的激光沖擊處理方法，其實施方法為在激光沖擊強化之前將芯棒或襯套放置于孔內(nèi)，芯棒或者襯套與處理孔表面平齊，完成激光沖擊強化后去除芯棒或者襯套，該專利的特點是先開孔后強化，加入芯棒或者是襯套是為了保證孔口位置激光沖擊強化后不變形，保證強化后孔口的質(zhì)量，但是采用這種強化方法很可能在激光沖擊強化后，芯棒或者襯套很難從小孔中取出或者是無法取出，也很容易對小孔造成傷害。
[0008]磁致伸縮執(zhí)行器是利用磁致伸縮材料在外加磁場作用下發(fā)生形變這一特性，實現(xiàn)電磁能向機械能轉換的一種換能器。目前在機械加工領域中，主要是利用磁致伸縮執(zhí)行器輸出的軸向位移實現(xiàn)高分辨率的微量進給，如車削加工，孔加工等，鄔義杰等在2004年浙江大學學報(工學版)第38卷的1185-1189頁，發(fā)表的基于超磁致伸縮材料的活塞異形銷孔加工原理研究中，通過將超磁致伸縮材料嵌入到刀具中研制了一種活塞異形銷孔加工系統(tǒng)。但是，目前尚無有關利用磁致伸縮執(zhí)行器輸出徑向位移實現(xiàn)小孔強化的報道。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是要提供一種金屬板料小孔內(nèi)壁強化方法及裝置，具體的說是針對直徑為l_3mm的小孔，通過在小孔內(nèi)壁引入適當?shù)臍堄鄳?，可以有效提供小孔的疲勞壽命，該方法通過磁致伸縮的超聲導波理論，利用磁致伸縮效應產(chǎn)生的L (O, I)模態(tài)導波徑向振動作用與小孔內(nèi)壁，從而達到強化小孔的效果，本專利還可以對直徑大于3_的內(nèi)孔內(nèi)壁進行強化。
[0010]本發(fā)明由信號發(fā)生器、功率放大器、磁致伸縮執(zhí)行機構、變幅桿和撞擊棒組成。由信號發(fā)生器產(chǎn)生所需信號經(jīng)功率放大器進行能量放大后，驅(qū)動磁致伸縮執(zhí)行機構內(nèi)部的電磁線圈，根據(jù)磁致伸縮效應原理，沿鐵磁棒產(chǎn)生低頻L(0，I)模態(tài)導波，其振動位移主要為徑向振動，鐵磁棒下端連接變幅桿，用于將振動位移進行放大，將撞擊棒伸入到小孔內(nèi)合適位置，利用磁致伸縮效應產(chǎn)生的徑向振動通過撞擊棒撞擊小孔內(nèi)壁，使孔壁引入殘余壓應力實現(xiàn)強化效果。
[0011]一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法，其特征在于，具體步驟為，
A)根據(jù)需要強化的小孔尺寸，制作相應尺寸的撞擊棒和變幅桿，撞擊棒和變幅桿的截面為凸輪型，變幅桿的最大向徑等于鐵磁棒的半徑，撞擊棒與變幅桿的凸輪基圓中心軸同軸且固定連接；
B)將變幅桿安裝在磁致伸縮執(zhí)行機構的鐵磁棒下端，鐵磁棒為圓柱狀，變幅桿的凸輪基圓中心軸與鐵磁棒的圓形截面中心軸同心；
C)磁致伸縮執(zhí)行機構將撞擊棒伸入小孔內(nèi)部，撞擊棒的凸輪基圓中心軸與小孔的圓形截面中心軸同心；
D)利用磁致伸縮效應通過鐵磁棒產(chǎn)生的L(O, I)模態(tài)導波振動傳播至變幅桿，變幅桿將L (O, I)模態(tài)導波振動放大15-20倍后傳播至撞擊棒，通過撞擊棒的振動撞擊小孔內(nèi)壁，使小孔內(nèi)壁廣生殘余應力，提聞小孔的疲勞壽命；同時鐵磁棒帶動變幅桿轉動，使撞擊棒在小孔內(nèi)以5-25度/秒的角速度轉動；
L(0,1)模態(tài)導波是一種軸對稱導波，其周向振動位移為零，徑向振動位移大于軸向振動位移，使得導波在沿軸向傳播的同時具有較大的徑向振動位移，
使磁致伸縮效應激勵出縱向模態(tài)導波，即要滿足關系式
【權利要求】
1.一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法，其特征在于，具體步驟為， A)根據(jù)需要強化的小孔尺寸，制作相應尺寸的撞擊棒和變幅桿，撞擊棒和變幅桿的截面為凸輪型，變幅桿的最大向徑等于鐵磁棒的半徑，撞擊棒與變幅桿的凸輪基圓中心軸同軸且固定連接； B)將變幅桿安裝在磁致伸縮執(zhí)行機構的鐵磁棒下端，鐵磁棒為圓柱狀，變幅桿的凸輪基圓中心軸與鐵磁棒的圓形截面中心軸同心； C)磁致伸縮執(zhí)行機構將撞擊棒伸入小孔內(nèi)部，撞擊棒的凸輪基圓中心軸與小孔的圓形截面中心軸同心； D)利用磁致伸縮效應通過鐵磁棒產(chǎn)生的L(O, I)模態(tài)導波振動傳播至變幅桿，變幅桿將L(0，I)模態(tài)導波振動放大15 — 20倍后傳播至撞擊棒，通過撞擊棒的振動撞擊小孔內(nèi)壁，使小孔內(nèi)壁廣生殘余應力，提聞小孔的疲勞壽命；同時鐵磁棒帶動變幅桿轉動，使撞擊棒在小孔內(nèi)以5 — 25度/秒的角速度轉動； L(0,1)模態(tài)導波是一種軸對稱導波，其周向振動位移為零，徑向振動位移大于軸向振動位移，使得導波在沿軸向傳播的同時具有較大的徑向振動位移， 使磁致伸縮效應激勵出縱向模態(tài)導波，即要滿足關系式
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法，其特征在于，所述步驟D)中磁致伸縮效應的偏置磁場強度為18-24KA/m，永磁鐵磁場方向平行鐵磁棒軸向方向，同時調(diào)節(jié)信號源頻率在20k-160k之間，激勵出所需的縱向L(0，I)模態(tài)導波。
3.實施權利要求1所述的一種基于磁致伸縮的小孔內(nèi)壁強化方法的強化裝置，其特征在于，由信號發(fā)生器、功率放大器、磁致伸縮執(zhí)行機構、變幅桿(17)和撞擊棒(21)組成，磁致伸縮執(zhí)行機構由一圓筒狀PVC材料殼作為保護殼,保護殼由上端蓋(11)、殼體(9)、下端蓋12組成；上端蓋(11)與殼體(9)上端固定連接、殼體(9)下端與下端蓋(12)固定連接；殼體(9)內(nèi)部自上向下由端蓋(4)、傳動軸(6)、單向推力球軸承(5)、套筒(14)、聯(lián)軸器(13)、電磁線圈(8)及同水平兩塊凹形永磁鐵(10)、鐵磁棒(11)組成；聯(lián)軸器上表面設有套筒(14)，套筒(14)上表面設有單向推力球軸承(5)，單向推力球軸承5上表面設有端蓋(4)，單向推力球軸承(5)限制傳動軸向下產(chǎn)生位移，單向推力球軸承(5)上方有端蓋限制軸承向上產(chǎn)生位移；，所述電磁線圈(8)繞在線圈骨架(16)上，線圈骨架(16)內(nèi)嵌于凹形永磁鐵中，線圈骨架(16)和凹形永磁鐵固定在下端蓋(12)上表面；所述線圈骨架(16)為圓筒狀，線圈骨架(16)、鐵磁棒(11)與殼體(9)同軸，鐵磁棒(11)從線圈骨架(16)中間穿過，線圈骨架(16)與鐵磁棒(11)之間間隙配合，使鐵磁棒轉動時與線圈骨架不發(fā)生干涉；所述鐵磁棒(11)的上端通過聯(lián)軸器(15)與傳動軸(6)的下端連接，鐵磁棒(11)與傳動軸(6)之間的接頭處設有間隙，傳動軸(6)上端穿過單向推力球軸承(5)、套筒(14)連接蝸輪蝸桿(3)，蝸輪蝸桿(3)連接步進電機(2)，步進電機(2)通過控制模塊(I)控制，傳動軸在步進電機的帶動下轉動； 鐵磁棒(11)下端連接變幅桿(17)，變幅桿(17)截面為凸輪形，凸輪基圓中心軸與鐵磁棒(11)的圓形截面處中心軸同心，變幅桿的最大向徑等于鐵磁棒的半徑，撞擊棒的截面與變幅桿相同，撞擊棒與變幅桿的凸輪基圓中心軸同軸且固定連接，變幅桿為L (O, I)模態(tài)導波的二分之一 波長。
【文檔編號】C21D10/00GK103627885SQ201310570961
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18日
【發(fā)明者】姜銀方, 陳嵐崴, 姜文帆, 戴亞春, 李娟 , 郭華杰, 張偉 申請人:江蘇大學